Veličanstveni trijumf ljudskog uma

Mnogima je zasmetala činjenica što je predsednik Bajden imao tu čast da predstavi prvu zvaničnu fotografiju kosmosa sa novog teleskopa iako on, kao političar od zanata, verovatno ima sasvim skromna znanja o onome što se na slici nalazi. Neko bi rekao da političari vole da se diče naučnim dostignućima onda kada im to donosi političke poene. Sa druge strane, većina političara ne čini ništa da bi se za nauku, pogotovo fundamentalna istraživanja, obezbedilo dovoljno novca. Ipak, u slučaju “Džejmsa Veba” mora se priznati da su političari (uglavnom) imali sluha i da su ispoljili popriličan stepen razumevanja, čak i kada se projekat nalazio u naizgled nepremostivim teškoćama.

foto: nasa / ap

Jer, “Džejms Veb” je sve, samo ne školski primer efikasnog i odgovornog upravljanja projektom. Prema jednoj studiji s kraja prošlog veka, za konstrukciju i eksploataciju teleskopa bilo je potrebno oko četiri milijarde dolara, odnosno 10 milijardi “današnjih” dolara ako se iznos koriguje za inflaciju, što se prilično dobro slaže sa dosad utrošenim iznosom. Valjda u strahu da tako velika sredstva nikad neće biti odobrena, NASA je tokom devedesetih snizila procenu na samo milijardu dolara, istovremeno smanjujući naučne ambicije celog projekta. Bila je to računica koja će se vrlo brzo pokazati kao potpuno pogrešna: naučnici nikako nisu mogli da prihvate da će u ruke dobiti teleskop skromnijih specifikacija, tako da je projekat bezbroj puta dopunjavan dodatnim elementima sve dok nije potrošio kompletan budžet, a da konstrukcija zapravo nije ni počela. Tehnički koncept dobio je finalno zeleno svetlo tek 2010. godine, ali je teleskop tada već bio na meti američkih političara – za njih je teleskop bio bure bez dna koje je “pojelo astronomiju”, tj. novac koji bi se svakako mogao iskoristiti za nešto drugo.

(NE)OPRAVDANI TROŠKOVI

Čaša se prelila u trenutku kada je Barbara Mikulski, senatorka iz Merilenda, zatražila nezavisnu reviziju projekta usled konstantnog probijanja rokova i budžeta. Komisija je utvrdila da teleskop neće biti spreman za lansiranje pre 2015. godine, i to samo ako se obezbede sva potrebna sredstva od oko šest milijardi dolara. Za američki Kongres to je bilo previše: sredinom 2011. godine predložen je rebalans budžeta NASA, koji je predviđao smanjenje sredstava od oko dve milijarde dolara, od čega je četvrtina direktno odlazila na razvoj teleskopa. Takav finansijski udarac projekat nije mogao da podnese, bio bi to i njegov definitivan kraj. Političari su se opredelili za ovu drakonsku meru optužujući NASA za loš menadžment projekta i pored činjenice da je u tom trenutku 75 odsto hardvera već bilo napravljeno, uz troškove koji su prelazili tri milijarde dolara.

Međutim, zahvaljujući pritisku javnosti koji je usledio, “Džejms Veb” je, ipak, preživeo. U odbranu projekta stali su brojni uticajni novinari i institucije, NASA, Američko astronomsko društvo, čak i političari sa senatorkom Mikulski na čelu. Nekoliko meseci kasnije, Kongres je bio prinuđen da odustane od planova da prekine sa finansiranjem razvoja teleskopa, ali je istovremeno postavio i novi budžetski limit od osam milijardi dolara. I taj novi okvir biće na kraju probijen.

Lansiranje teleskopa bilo je planirano za 2018. godinu, da bi onda bilo odloženo za maj 2020. godine usled problema sa termalnim štitom, koji se na “generalnoj probi” neobjašnjivo pocepao. Pažljivom analizom utvrđeno je da teleskop u svojoj konstrukciji i funkcionisanju ima više od 300 kritičnih tačaka, koje je trebalo otkloniti. Zatim se umešao kovid, epidemija je odgodila sve aktivnosti na neodređeno vreme. Teleskop je konačno poleteo u kosmos 25. decembra 2021. godine (“Vreme” je već opširno pisalo o tom događaju). Procenjuje se da će ukupni troškovi projektovanja, izrade i (bar) petogodišnje eksploatacije teleskopa biti između 10 i 11 milijardi dolara.

POZICIONIRASNJE I IZOŠTRAVANJE SLIKE

Šta se sve dešavalo sa teleskopom od decembra do prvih slika? Pre svega, bilo je neophodno da teleskop dostigne odgovarajući položaj u prostoru. Predviđeno je da teleskop bude smešten u takozvanoj “Lagranžovoj tački L2” na pravcu Sunce-Zemlja, na oko milion i po kilometara daleko od nas (oko pet puta dalje od Meseca). U tački L2 ukupno dejstvo Sunčeve i Zemljine gravitacije tako je delikatno izbalansirano da teleskop u stopu prati Zemlju iako bi, na prvi pogled, trebalo da zaostaje za njom. To ne znači da je teleskop potpuno statičan u odnosu na Zemlju, naprotiv. U stvarnosti, teleskop se u odnosu na Zemlju kreće po eliptičnoj putanji, tako da njegovo rastojanje od tačke L2 varira od minimalnih 200 do 800 hiljada kilometara. Da bi se teleskop tako precizno pozicionirao u prostoru, bile su neophodne tri korekcije putanje.

Uz radni položaj, teleskop je trebalo da dostigne i svoju radnu konfiguraciju. Podsetimo se da “Džejms Veb” ima primarno ogledalo prečnika 6,5 metara sastavljeno od 18 šestougaonih segmenata, pri čemu je svaki segment napravljen od lakog i čvrstog berilijuma (korisna površina ogledala šest puta je veća od one koju ima “Habl”). Svaki segment presvučen je tankim slojem zlata iznad kojeg se nalazi mehanička zaštita od stakla. Presvlaka od zlata debela je svega nekoliko hiljada atoma, tako da bi celokupno zlato upotrebljeno za pozlaćivanje segmenata moglo da stane u jednu ping-pong lopticu. Tako veliko ogledalo nije moguće spakovati na vrh rakete – upravo zato je i napravljeno iz delova koji se mogu rotirati i spakovati u kompaktniju formu.

Da bi infracrveno osmatranje kosmosa uopšte bilo moguće (vidi okvir), teleskop mora da ima i odgovarajuću termičku zaštitu. Taj termički štit napravljen je od ultralakog i čvrstog materijala poznatog kao “kapton”, koji zadržava svoja tehnička svojstva u širokom temperaturnom opsegu. Njegova debljina ne prelazi debljinu vlasi kose, a veličina je uporediva sa površinom teniskog igrališta. Štit ima pet međusobno odvojenih slojeva radi efikasnijeg hlađenja, a ispravno rastojanje između njih održavaju posebni zatezači razmešteni po ivicama. Tokom svog radnog veka, ogledala teleskopa sve vreme će se nalazitu u ledenoj senci termičkog štita koji će biti postavljen između Sunca, Zemlje i Meseca sa jedne, i glavnog ogledala sa druge strane. Tako veliki štit je, takođe, morao da bude “spakovan” i obmotan oko teleskopa pre poletanja. Rasklapan je postepeno i pažljivo, tokom nekoliko dana, u poslednjoj fazi leta kada se teleskop već našao nadomak Lagranžove tačke.

Na kraju, da spomenemo i ono najvažnije: izoštravanje slike. Kada su se šestougaona ogledala konačno našla na svom mestu, a celo ogledalo dobilo svoj radni oblik, slika sa teleskopa bila je potpuno neupotrebljiva jer se svako od 18 ogledala ponašalo kao zaseban teleskop. Kada je “Džejms Veb” napravio probnu fotografiju usamljene zvezde, umesto jedne precizno definisane tačke ugledali smo 18 manje ili više razmazanih fleka. Tako nešto bilo je i očekivano nakon lansiranja, koje su pratile snažne vibracije. Usledio je period finog doterivanja položaja i zakrivljenosti ogledala. Svaki šestougaoni segment ima šest mikro-motora koji menjaju položaj i jedan mikro-motor koji utiče na krivinu ogledala. To je ukupno 126 motora, sa još šest dodatnih koji kontrolišu sekundarno ogledalo. Zamislite sada pred kakvim izazovom su se našli tehničari koji su morali da izoštre i poklope 18 tačaka, sve to pomoću 132 nezavisna motora, pri čemu svaki “vuče” na svoju stranu! Motori su, inače, neverovatno precizni, u stanju da pomeraju odgovarajuće tačke ogledala sa preciznošću od svega 10 nanometara (nanometar je milioniti deo milimetra; zamislite da razvučete jedan šestougaoni segment na površinu Teksasa: mikro-motori bi mogli da naprave korekcije koje bi se merile centimetrima).

SPEKTAKULARNI USPEH

foto: ap

Kao što se vidi sa prvih fotografija koje su “oštre kao brijač”, cela operacija lansiranja, raspakivanja teleskopa i izoštravanja njegove slike završena je spektakularnim uspehom. Nesporno, reč je o još jednom veličanstvenom trijumfu ljudskog uma čije plodove tek treba da uberemo. Prve fotografije na impresivan način dokazuju kako je “Džejms Veb” u stanju da ispuni sve svoje primarne zadatke: na slici koju je predstavio predsenik Bajden, recimo, vidimo udaljeni galaktički klaster iza kojeg se nalaze neke od najstarijih galaksija u kosmosu.

Posebno su impresivni snimci planetarne nebule “Južni prsten”. Planetarna nebula predstavlja oblak jonizovane materije koji odbacuje zvezda u poslednjem stadijumu svog života. Ti oblaci bogati su hemijskim elementima koje je zvezda stvorila tokom svog života: ugljenik, kiseonik, azot… Ti elementi predstavljaju materijal od kojeg je satkan sav živi svet. Fascinantna je činjenica da smo svi mi zapravo deca davno nestalih zvezda jer su svi naši atomi proizvod zvezdane evolucije. Da nije zvezda, ni nas ne bi bilo.

Tu je, zatim, prelep snimak “kosmičkih litica” nebule “Karina”, na kojem se vidi gigantski oblak gasa i prašine u kome se intenzivno stvaraju nove zvezde. Jednako impresivno izgleda i “Stivenov kvintet”, grupa od pet galaksija u fazi međusobnog sudara. Usled kolizije dolazi do zgušnjavanja međuzvezdanog gasa i prašine, što opet dovodi do formiranja novih zvezda. I na kraju, priložena je analiza atmosfere jedne egzo-planete. Da biste analizu razumeli, potrebno je duboko poznavanje spektrografije, zato ćemo verovati na reč da ta analiza dokazuje postojanje vodene pare u atmosferi planete. Posmatrana planeta suviše je vrela da bi život na njoj bio moguć. Postoje, međutim, brojne egzo-planete koje su potencijalno nastanjive. “Džejms Veb” ima instrumente pomoću kojih, u atmosferi takvih planeta, može da utvrdi prisustvo gasova karakterističnih za postojanje živih bića (kiseonik, na primer). Život u kosmosu? Odgovor je, možda, odmah iza ćoška.

AVANTURA KOJA JE TEK POČELA

Teleskop sada ulazi u eru rutinske eksploatacije koja treba da potraje najmanje pet, verovatno i svih deset godina. Način eksploatacije preuzet je od “Habla”: teoretski gledano, svako može da predloži “metu” za neko buduće posmatranje, uz adekvatno obrazloženje. U praksi, neophodno je da predlagač ima odgovarajući naučni kredibilitet. Postoji posebna komisija koja raspolaže celokupnim radnim vremenom teleskopa i koja odlučuje koji će predlozi za posmatranje biti realizovani u narednom periodu (obično sledeće godine). Sasvim logično, malu prednost imaju naučnici koji su neposredno učestvovali u konstrukciji teleskopa i izradi njegovih instrumenata – njima je zagarantovan deo radnog vremena teleskopa.

Ali, i tome će jednom doći kraj, pre svega usled položaja koji teleskop ima u odnosu na Zemlju i Sunce. Taj položaj je “blago” nestabilan, tako da je svake godine neophodno uraditi malu korekciju putanje kako teleskop ne bi otplutao u kosmički beskraj. Intervencija je vrlo delikatna: teleskop može, recimo, da nadoknadi izgubljenu brzinu, ali ne može da izgubi njen višak. Za korekciju putanje teleskop je opremljen sa dva para raketnih motora, a oni koriste gorivo čija je količina ograničena. Jedan deo goriva već je utrošen prilikom inicijalne faze, ali je najveći deo sačuvan, pre svega zbog toga što je teleskop lansiran s takvom preciznošću da su sve dosadašnje korekcije putanje bile minimalne. Kako sad stvari stoje, goriva ima za čitavu deceniju, možda i dve. Drugi problem je hladnjak koji održava nisku radnu temperaturu jedne od dve ključne kamere i koristi helijum za rad. A on će, pre ili kasnije, ispariti. Na kraju, tu je i opasnost od mikro-meteorita čiji udar može da ošteti nezaštićena teleskopska ogledala. Jedan takav udarac već je zabeležen, srećom bez većih štetnih posledica.

Teoretski, teleskop se može makar delimično servisirati i u kosmosu: postoje otvoreni priključci za dolivanje goriva i upumpavanje helijuma, napravljene su i hvataljke koje se mogu iskoristiti kao oslonac prilikom radova na teleskopu. Sa druge strane, iako je “Habl”, zahvaljujući činjenici da se nalazi u niskoj Zemljinoj orbiti, nekoliko puta servisiran, male su šanse da astronauti ikada posete “Džejms Veb” kako bi ga popravili. Teleskop je, jednostavno, suviše daleko. Uz to, teleskop nije napravljen modularno – nije moguće zameniti delove opreme koji iz ovih ili onih razloga otkažu. Ali, prerano je da mislimo na to. “Džejms Veb” je uspešno preboleo sve svoje dečije bolesti i ubrzo se više niko neće sećati pehova koji su ga pratili. Umesto toga, probajmo da se usredsredimo na avanturu koja je tek počela.

Infracrvena astronomija

TRI BOJE SVEMIRA: Kombinovana fotografija od infracrvenih snimaka sa “Veba”, snimaka sa “Habla” i japanskog “Subaru” teleskopa u ultraljubičastom i vidljivom delu spektra

Za razliku od “Habla” koji svoja osmatranja vrši, pre svega, u vidljivom delu spektra, “Džejms Veb” posmatra kosmos uglavnom u njegovom infracrvenom delu. Taj deo spektra nevidljiv je za ljudsko oko i obuhvata svetlosne talase većih talasnih dužina, a manje energije. Istine radi, to ne znači da je “Džejms Veb” potpuno slep za vidljivu svetlost: dostupan mu je narandžasti i crveni deo talasnog opsega, ali je u tom delu “Habl” i dalje premoćan.

Postoji više razloga što je akcenat stavljen na infracrvenu astronomiju. Pre svega, sa Zemlje je praktično nemoguće vršiti osmatranja u ovom delu spektra. Infracrveno zračenje predstavlja dominantan vid zračenja svakog tela koje se nalazi na temperaturama koje su karakteristične za našu planetu. Infracrvena svetlost koja dolazi iz kosmosa biva, jednostavno, izgubljena u “šumu” koji stvaraju atmosfera i predmeti koji nas okružuju. Čak i da toga nema, postoji problem apsorpcije infracrvenih talasa od strane vodene pare i ugljen-dioksida u atmosferi. Ukratko, ako hoćete da osmatrate u infracrvenom delu spectra, morate da se “odmaknete” od Zemlje i njenih štetnih uticaja, a za to vam je potreban kosmički teleskop.

Zašto je infracrvena svetlost tako značajan nosilac informacija? Svetlost većih talasnih dužina ima osobinu da lakše zaobilazi prepreke u vidu oblaka kosmičkog gasa i prašine. Zgušnjavanjem ovih oblaka (koje često nazivamo i “molekularnim” zbog prisustva složenih hemijskih jedinjenja), nastaju nove zvezde. Što je oblak gušći i veći (samim tim i tamniji za naše oko), broj novih zvezda u njemu raste. Ove mlade zvezde često nije moguće osmatrati običnim teleskopima jer su oblaci koji ih okružuju neprozirni za vidljivu svetlost. Iako nam je proces stvaranja zvezda načelno poznat, postoje rupe u tom znanju koje treba da popuni “Džejms Veb” koristeći svoje “oko” osetljivo na infracrvenu svetlost. Za ovu svetlost molekularni oblaci su skoro prozračni, mlade zvezde inače nedostupne našem oku postaju lako “vidljive”. Uz to, kosmos je prepun tamnih objekata (planeta, njihovih satelita, kometa, asteroida), koji emituju najveći deo svog zračenja u infracrvenom delu spektra.

Danas postoji naučni konsenzus da je kosmos stvoren u “Velikom prasku” pre oko 13,7 milijardi godina, eksplozivnim širenjem minijaturne oblasti ogromne gustine i temperature. Kako se širila materija, tako se širio i prostor, a vreme je dobilo svoj današnji smisao. Tek posle nekoliko stotina miliona godina materija se dovoljno ohladila da bi njeno lokalno zgušnjavanje postalo moguće. Mesta veće gustine proizvela su prve zvezde, a zatim i galaksije. “Džejms Veb” je vremeplov koji će nam omogućiti da vidimo prvo svetlo u svemiru, da se vratimo nekih 13,5 milijardi godina unazad, bar 200 miliona godina dublje u prošlost i bliže velikom početku nego “Habl”.

Ovo je moguće upravo zahvaljujući infracrvenoj astronomiji. Najudaljeniji i najstariji objekti u kosmosu praktično su nevidljivi za ljudsko oko (ne postoje u vidljivom delu spektra). Svetlost, koja je bila emitovana pre mnogo milijardi godina i koja tek sada stiže do nas, putovala je kroz kosmos koji se širi (i to sve brže). Kako se prostor širio, tako se “rastezalo” i sve što se kreće kroz njega, pa i svetlost. Talasna dužina svetlosti postajala je sve veća, tako da zrak vidljivog svetla emitovan pre 13 milijardi godina danas stiže do nas kao zrak infracrvenog svetla, koji samo “Džejms Veb” može da detektuje.

“Džejms Veb” ima dva sofisticirana instrumenta za infracrvenu astronomiju: NIRCam (kameru koja obuhvata infracrveni deo spektra koji se neposredno naslanja na vidljivi deo) i MIRI (instrument koji snima u centralnom delu infracrvene zone). Ova dva uređaja mogu da detektuju objekte koji su sto puta tamniji od onih koje vidi “Habl”. Kako bi detekcija infracrvenog zračenja bila moguća, neophodno je da oba instrumenta budu hladna. U suprotnom, instrumenti bi detektovali svoje sopstveno toplotno zračenje umesto onog koje dolazi iz kosmosa. Za NIRCam, dovoljna je “hladovina” koju obezbeđuje “mušema”, termalni štit od kaptona. Ovaj štit u stanju je da spusti temperaturu zaklonjene opreme na impresivnih -230°C. Za MIRI ni ovako niska temperatura nije dovoljna, potreban je poseban “frižider” napunjen helijumom da bi se radna temperatura spustila na svega nekoliko stepeni iznad apsolutne nule.

Kako nastaju slike iz bajke

KAKO NASTAJU ZVEZDE: Nebula “Karina” u infracrvenom objektivu teleskopa Džejms Veb

foto: nasa / ap

Kada su se pojavile prve slike koje je napravio “Džejms Veb”, svi su ostali ushićeni njihovom lepotom, čak i oni koje nauka uopšte ne zanima. Jednostavno, tako bogat kolorit, ta količina detalja, taj broj i gustina zvezda ne viđaju se baš svaki dan. Kako nastaju ovakve slike? U suštini, tako što teleskop posmatra jedan mali deo neba u kontinuitetu. Što su objekti udaljeniji i tamniji, vreme ekspozicije je duže. Najviše vremena potrošeno je na prvu sliku na kojoj se vidi duboki kosmos, gigantski klaster galaksija na rastojanju većem od četiri milijarde svetlosnih godina. Ovaj klaster toliko je masivan da svojom gravitacijom zakrivljuje putanju svetlosnih zraka koji prolaze pored njega, u skladu sa Ajnštajnovom opštom teorijom gravitacije. Čitav galaktički klaster ponaša se, zapravo, kao jedno veliko sočivo koje uveličava još udaljenije objekte koji se nalaze iza njega. Zahvaljujući tom sočivu (čiji se oblik na slici jasno nazire), do nas dopiru svetlosni zraci koji bi nas inače mimoišli. I tako su se na snimku pojavile i neke galaksije koje su na rastojanju većem od 13 milijardi godina. Snimljeni deo zvezdanog neba otprilike je velik koliko i zrnce peska u ispruženoj ruci. Da bi se prikupila dovoljna količina svetla koja dolazi iz tako malog dela neba, potrebno je bar 12 sati upornog gledanja (za sličnu fotografiju mnogo slabijeg kvaliteta “Habl” je potrošio više od nedelju dana).

Vratimo se na fotografije: ono što i laiku pada u oči jeste nestvarno bogatstvo boja, kao da je za svaku potrošen čitav dugin spektar. Odakle potiču boje? Nemojte se razočarati, ali sve te prelepe boje potpuno su izmišljene! U stvarnosti, one ne postoje. Razlog je prost: “Džejms Veb” vidi infracrvenu svetlost, svetlost koju ne vidimo golim okom. Pojam boje (plavo, crveno, žuto) može se definisati samo za vidljivu svetlost, boja ne postoji izvan njenog opsega. Infracrvena svetlost zato nema boju, baš kao što boju nemaju ni talasi mikrotalasne rerne, mobilne telefonije, radio-signali ili vaš kućni bežični internet.

Kamere teleskopa ne razlikuju se mnogo od foto-aparata koje koriste današnji fotografi, bilo profesionalci ili amateri. Prikupljena svetlost pada na fotoelektrični senzor sastavljen od mnogo miliona pojedinačnih tačaka, pri čemu svaka tačka generiše podatke o frekvenciji i intenzitetu svetla koje na nju pada. Ono što nazivamo fotografijom zapravo je veliki skup brojki koje su, u svom izvornom obliku, praktično neupotrebljive. Da bi se fotografija razumela, neophodno je brojke interpretirati, tj. pretvoriti ih u sliku. Kako napraviti sliku nečega što, inače, ne možemo da vidimo golim okom? Postupak vizualizacije je složen: obično se na osnovu izvornih podataka napravi crno-bela slika, u kojoj svaka tačka ima nijansu sive proporcionalnu vrednosti koju je zabeležila odgovarajuća tačka na senzoru. A onda se ta crno-bela slika kompjuterski boji, prvo grubo, korišćenjem grafičkih algoritama koji nijanse sive automatski mapiraju u odgovarajuću boju. U drugoj fazi obrada fotografije je mnogo suptilnija, jer u njoj učestvuje mala armija “digitalnih umetnika”, likovno nadarenih ljudi koji jednako dobro poznaju i “Fotošop” i astronomiju. Tek oni će fotografiji udahnuti život i dinamiku po nekom svom subjektivnom osećaju za lepo. Takva fotografija povremeno može da liči na ono što bismo videli golim okom, ali su suštinske razlike, u formi i koloritu, uvek prisutne.